基于防冲的孤岛工作面分类及应用研究*

杨伟利，魏全德，曲效成，刘维信，张假妮

(1. 中原工学院 建筑工程学院，河南 郑州 451191；2. 北京安科兴业矿山安全技术研究院有限公司，北京 102299；3. 北京安科兴业科技股份有限公司，北京 100083；4. 山东东山王楼煤矿有限公司，山东 济宁 272072)

0 引言

近几年来，易采煤炭资源逐渐采毕，诸多煤矿涉足孤岛工作面开采，导致孤岛工作面冲击地压灾害频发，给煤矿带来了巨大损失[1-4]。据相关统计[5-6]，截止2016年底，国内冲击地压矿井有178个，这些矿井都或多或少存在孤岛工作面。为了有效控制孤岛工作面冲击地压，国内学者对孤岛工作面冲击地压防治进行了大量研究，如窦林名等[7]通过研究孤岛工作面开采中的围岩应力提出了基于监测的冲击地压预报和控制技术；姜福兴等[8]通过分析研究临场监测数据，提出了四面采空“孤岛”采场的顶板结构和相关矿压控制技术；王宏伟等[9]通过现场监测确定了孤岛工作面发生冲击失稳的危险区域；杨光宇等[10]综合考虑冲击地压灾害防治、次生灾害控制以及巷道支护等因素，确定了孤岛工作面合理留设宽度；于正兴等[11]提出了预测孤岛工作面冲击危险性的宏观评价方法。上述研究成果对孤岛工作面冲击地压防治起到了积极作用，但尚未提出对孤岛工作面冲击地压实施“分类防治”的思路。

随着孤岛工作面冲击类型日益复杂，分类防治已成为治理孤岛工作面冲击地压灾害的必由之路[12]，而分类防治的前提必须基于防冲对孤岛工作面进行科学分类。为此本文开展基于防冲的孤岛工作面分类研究，研究成果对孤岛工作面冲击地压实施分类防治具有现实意义。

1 基于防冲的孤岛面分类

通过对国内多个煤矿孤岛工作面开采情况进行调研，发现主要存在以下3种情况。

1)可采孤岛工作面

某矿3201下工作面为可采孤岛工作面，形如“刀把”形孤岛面，如图1(a)所示。孤岛面北部为3202，3204，3206和3208采空区连通形成的大面积采空区；南部为3201采空区；开采煤层为3上煤层，采深620 m，均厚2.6 m，倾角7°；煤层上覆岩层中不存在厚硬岩；采用综采放顶煤开采法，垮落法管理顶板。

3201下孤岛面于2012年始采，2013年采毕。回采中除缩面区域动压较剧烈外，工作面整体应力较低，图1(b)和(c)为孤岛面开采中轨道巷和运输巷2巷道煤体应力监测云图，从图1中可以看出，除轨道巷道第9组测站煤体相对应力为9.8 MPa外，其他测站相对应力一般不超过5 MPa。

图1 3201下孤岛面开采平面图及监测应力云图Fig.1 The mining plan and monitoring stress nephogram of 3201 xia isolated island working face

2)不可采孤岛工作面

某矿1305工作面为不可采孤岛工作面，孤岛面南部为1306和1307采空区，北部为1304采空区，1305孤岛面采掘平面图及冲击位置如图2所示。孤岛面平均采深980 m；煤层均厚6.02 m，倾角平均3°；直接顶为厚2.8 m粉砂岩，基本顶为厚20 m中砂岩。

2015年，当1305孤岛面平均推进3.3 m时，工作面发生整体失稳冲击，冲击释放能量2.5×106J，震级2.3级，冲击位置为工作面及超前巷道，如图2中灰色标注区域。严重的冲击地压灾害抵消了开采取得的效益，因此1305孤岛面不可采。

图2 1305孤岛面采掘平面图及冲击位置Fig.2 The excavation plan and impact location of 1305 isolated island working face

3)采取措施后可采孤岛工作面

某矿2303孤岛面位置如图3所示，东到北翼大巷，南邻2302采空区，西距2300采空区28～58 m，北邻2304采空区。孤岛面采深547.4 m，开采煤层均厚5.97 m，倾角平均6°；煤层直接顶为厚5.4 m粉砂岩，基本顶为厚12.0 m中砂岩。2303孤岛面切眼区域曾出现剧烈动力显现，巷道底板在半小时内鼓起0.5 m，以此确定2303孤岛面回采中存在严重冲击危险。

针对2303孤岛面具体条件制定了专项防冲措施：开采前先进行冲击危险性预测，确定孤岛面开采初期的煤柱区域、基本顶初次来压和断层带为高度危险区；开采中采用先进仪器实时监测，并及时采取卸压措施，使工作面安全通过了冲击危险区，实现了孤岛面的安全开采。

图3 2303孤岛工作面开采平面图[7]Fig.3 The mining plan of 2303 isolated island working face

综上所述，煤矿中有些孤岛面可采，有些孤岛面不可采，有些孤岛面采取措施后可采。因孤岛工作面的可采性不明而盲目开采，影响到冲击地压防治效果，甚至付出沉重代价。因此，需要对孤岛工作面可采性进行准确评估，并在此基础上对孤岛工作面冲击地压实施“分类防治”势在必行，而基于防冲对孤岛工作面进行科学分类是关键。

2 基于防冲的孤岛工作面分类研究

2.1 孤岛工作面冲击本质原因分析

大量现场调研和实验室试验，发现导致孤岛工作面冲击的主要因素有3个[13]：一是孤岛工作面煤岩具有冲击倾向特性；二是孤岛工作面煤岩体的结构特性，指煤层内存在软弱夹层；三是孤岛工作面的高应力。这3个因素中，高应力是决定孤岛工作面是否冲击的最主要因素。典型孤岛面高应力形成过程如图4所示。由图4可知，工作面1开采后，所形成的采空区1上覆悬露岩层重量向实体煤侧转移而形成如图4(a)所示侧向支承压力分布。采空区2形成后，亦在实体煤侧形成支承压力，并和采空区1侧向支承压力在实体煤(孤岛工作面)上叠加导致孤岛面应力集中程度增大，如图4(b)所示。若孤岛工作面煤岩具有冲击倾向，且达到了非稳定动态平衡状态，当受到外界扰动后即发生冲击地压。

图4 典型孤岛面高应力形成示意Fig.4 The diagram of high stress formation on typical isolated island working face

图4中的孤岛为同层煤采空区分割煤层形成的应力孤岛，即常规应力孤岛。实际上，不同层煤采空区，以及巷道、断层、褶曲、陷落柱、火成岩侵入、相变等隐性因素均能切割煤层使得被影响区域产生应力叠加而形成应力孤岛，均具有冲击危险。因此，孤岛工作面冲击的实质为应力问题，这决定孤岛工作面防冲必须首先基于孤岛工作面高应力形成原因对其进行分类，然后才能制定基于控制应力的防冲措施。

2.2 基于防冲的孤岛工作面分类

通过研究国内多个煤矿孤岛工作面冲击地压发生条件和特点，根据孤岛工作面高应力形成原因，将孤岛工作面分为以下6类。

1)充分采动孤岛工作面

孤岛工作面两侧煤层开采范围增大到某一尺寸后，采空区覆岩垮落到地表，垮落岩层被压实，地表下沉盆地中央出现平底结构，且沉降停止，此种覆岩空间结构孤岛面为充分采动孤岛工作面。充分采动孤岛工作面由于两侧采空区上覆岩层重新压实，主要为岩层重量形成的自重应力，因此几乎不存在应力叠加，孤岛工作面煤体恢复到原岩应力状态如图5所示。图1中3201下孤岛面能够安全开采的主要原因是该孤岛面北部为大面积充分采动采空区。

图5 充分采动孤岛面沿倾向剖面示意Fig.5 The diagram of dip section of isolated island working face which is fully mining

2)非充分采动孤岛工作面

由于孤岛面上覆岩层硬度较大且两侧采空区面积较小，煤层采出后，孤岛工作面两侧采空区覆岩一定范围内岩层破断垮落到采空区形成垮落带；而垮落带上方至地表悬跨岩层未大面积断裂破坏导致地表沉降，此种覆岩结构孤岛工作面为非充分采动孤岛工作面。由于两侧采空区上覆岩层存在悬露岩层，悬露岩层重量产生的应力和上覆岩层自重应力叠加而在实体煤侧形成侧支承压力，采空区两侧支承压力叠加使得孤岛面产生应力集中。非充分采动孤岛面沿倾向剖面示意如图6所示。非充分采动孤岛面在煤矿比较常见。

图6 非充分采动孤岛面沿倾向剖面示意Fig.6 The diagram of dip section of isolated island working face which is non-full mining

3)充分-非充分采动孤岛工作面

孤岛工作面一侧采空区面积较大，覆岩垮落运动发展到地表，且地表沉降处于稳定状态；而另一侧采空区面积较小，采空区覆岩仅在一定范围内形成垮落带，垮落带上方直至地表悬跨岩层结构完整，地表未出现沉降，此种覆岩结构孤岛工作面是介于充分和非充分采动孤岛工作面之间的情况，本文称之为充分-非充分采动孤岛工作面。此类孤岛工作面在靠近非充分采动采空区一侧应力集中程度较大，冲击危险性较强，而另一侧应力集中程度较小，冲击危险性随之降低。充分-非充分采动孤岛工作面沿倾向剖面示意如图7所示。梁宝寺煤矿在开采中曾出现过这类孤岛工作面。

图7 充分-非充分采动孤岛面沿倾向剖面示意Fig.7 The diagram of dip section of isolated island working under full-inadequate mining

图5～7为同层煤孤岛面两侧为采空区时情况。当孤岛工作面被多个采空区包围时，依次称为“三面采空孤岛工作面”、“四面采空孤岛工作面”。孤岛工作面周围采空区越多，孤岛面上应力叠加程度越大，冲击危险性则越强。

4)立体孤岛工作面(也称“空间孤岛”)

立体孤岛面是由不同层煤采空区分割煤层形成的孤岛工作面，如图8所示。上层煤工作面1开采后在实体煤侧形成采空区1侧向支承压力，该支承压力向下传递，和下层煤采空区2侧向支承压力叠加，受叠加应力影响区域形成立体孤岛面。图9为数值计算揭示的立体孤岛工作面叠加应力分布，从图9可以看出，立体孤岛工作面叠加应力集中程度较大，极具冲击危险。

立体孤岛工作面根据上、下层煤采空区是否充分采动又分为上层煤采空区充分采动而下层煤采空区非充分采动，上层煤采空区非充分采动而下层煤采空区充分采动，上、下层煤采空区充分采动，上、下层煤采空区非充分采动4种情况。

图8 立体孤岛面沿倾向剖面示意Fig.8 The diagram of dip section of stereoscopic isolated island working face

图9 立体孤岛面沿倾向应力数值模拟云图Fig.9 The numerical simulation cloud along the stereoscopic isolated island working face’s dip section

5)“隐性”孤岛工作面

由断层、褶曲、陷落柱、火成岩侵入、相变等地质构造切割煤层形成，此类孤岛工作面易被忽略，本文称之为“隐性”孤岛工作面。以正断层切割煤层形成隐性孤岛面为例进行分析。图10为正断层切割煤层形成隐性孤岛面示意图，从图10中看出，孤岛工作面上存在构造应力叠加，因此存在冲击危险，如北京昊华矿业公司木城涧矿曾发生过断层切割成的孤岛工作面冲击地压灾害。

图10 断层切割煤层形成孤岛面示意Fig.10 The diagram of isolated island working formed by fault cutting Coal Seam

6)复合孤岛工作面

由不同种类冲击危险因素切割煤层形成的孤岛面为复合孤岛工作面。以构造-采空区分割煤层形成的孤岛工作面为例进行说明。图11为某矿由采空区和断层分割成的7439孤岛工作面。孤岛面南部为F7正断层，落差10.5 m，倾角75°；北部为7419采空区。

图11 构造-采空区分割的孤岛面平面图Fig.11 The plan of isolated island working face formed by structure and goaf separating Coal Seam

图12为7439孤岛面轨道巷道距切眼180 m测站应力变化曲线。由图12(a)看出，该测站应力曲线明显分为2段：2012年12月10日至12月16日(工作面距测站94～78 m)，该段时间内测站不受采动应力影响，曲线平稳，但一直处于高应力状态，说明该区域存在断层构造应力和采空区侧向支承压力叠加影响。2012年12月16日至2013年1月2日(工作面距离测站78～10 m)，该段时间内采动应力与孤岛面应力叠加，且工作面距测站越近，叠加程度越大，至2013年1月2日，工作面距测站10 m时浅部测点应力超过25 MPa。临场监测结果验证由采空区和断层构造分割形成的孤岛面也具有冲击危险性。

图12 轨顺测站应力变化Fig.12 The stress variation curve of a survey station in the track transportation tunnel(2012/12/10～2013/1/2)

3 工程应用

基于防冲的孤岛工作面分类可应用于孤岛面采前冲击危险性评估，以确定孤岛工作面的可采性，然后再对孤岛面冲击地压实施分类防治，从而达到事半功倍的效果。以某矿3328孤岛面冲击地压防治为例进行分析。

3.1 3328孤岛面概况

某矿3328孤岛面三维内开采情况如图13所示。孤岛面西北侧25 m为宽度201 m的同层煤3318采空区；孤岛面上方69 m外侧为上层煤宽度180 m的3227采空区，在水平方向上距3328孤岛工作面63～142 m。孤岛面宽105 m，煤层采高3.7 m，均厚30 m，煤体具有强冲击倾向，单轴抗压强度19 MPa；孤岛面埋深890～925 m；煤层顶、底板为泥质粉砂岩和砂岩，厚度57～81 m，再向上至地表主要为砂页岩岩层；3227采空区煤层开采厚度2.6 m。

图13 某矿3328孤岛面地质平面图Fig.13 The geological plan of 3328 isolated island working face of a coal mine

3.2 3328孤岛面所属类型及可采性分析

由3328孤岛工作面三维空间内煤层开采情况，可知该孤岛工作面属于第4类，即立体孤岛工作面；3328孤岛面切眼区域煤体受叠加应力(为3227采空区侧向支承压力传递应力和3318采空区侧向支承压力叠加)影响最大，如果该区域冲击地压可控，则整个孤岛工作面可采。采用文献[14-15]提出的基于防冲的孤岛工作面可采性识别方法进行计算，得到3318采空区侧向支承压力分布函数和3227采空区侧向支承压力向下传递应力分布函数分别如式(1)和(2)所示，将两式叠加后再乘以采动系数1.4，得到3328立体孤岛面切眼区域煤体支承压力分布，如图14所示。从图14中可以看出，3328孤岛工作面弹性区宽度约为70 m，采用文献[14-15]提出的估算方法进一步计算，得到宽度约为70 m的弹性区承载的平均应力为63.6 MPa，小于孤岛面整体失稳冲击判断线，依此判断3328立体孤岛面开采中不会整体失稳冲击(即可采)，但存在局部冲击危险(3328立体孤岛工作面2条顺槽围岩应力超过了局部冲击应力判断曲线)。

(1)

(2)

图14 3328孤岛面切眼区域煤体沿倾向支承压力分布Fig.14 The abutment pressure distribution of dip section of 3328 isolated island working face’s Cut

3)3328立体孤岛面局部冲击地压防治

3328孤岛面冲击地压防治要针对局部冲击进行。3328孤岛面开采中有多个区域发生局部冲击，冲击区域中心位置如图13中圆圈标注。为防止3328孤岛面再发生局部冲击，特制定了如下防治措施：

(1)对巷道两帮施工大直径钻孔形成卸压保护带

3328孤岛面回风巷道煤柱侧、实体煤侧巷帮分别施工孔径110 mm、孔深13 m、间距1.5 m和孔径110 mm、孔深15 m、间距2 m的大直径钻孔卸压措施；孤岛面运输巷道两帮分别施工孔径110 mm、孔深15 m、间距1.5 m的大直径钻孔卸压措施。

(2)基于监测的加密卸压措施

孤岛面应力集中程度较大，卸压区域煤体在高应力下会被压实再次成为承载体，从而使得应力峰值回迁。在卸压带内布置应力测站对煤体应力实时在线监测，测站布置位置如图13所示，每个测站内设置2个应力测点，深度分别为9和15 m。发现应力升高，果断实施加密卸压钻孔，直至危险区域应力降到10 MPa以下。

(3)加强超前支护

超前工作面60 m布置单体支柱进行支护，并将单体支柱之间采用拉杆连接，提高支护的整体性。

通过对3328立体孤岛面实施上述防冲措施，实现了孤岛工作面的安全开采。

4 结论

1)除同层煤采空区能够分割煤层形成应力孤岛外，不同层煤采空区，以及巷道、断层、褶曲、陷落柱、火成岩侵入、相变等隐性因素均能分割煤层形成孤岛工作面。

2)基于孤岛面高应力形成原因，从防冲控制应力角度出发将孤岛工作面分为充分采动孤岛面、非充分采动孤岛面、充分-非充分采动孤岛面、立体孤岛面、“隐性”孤岛面和复合孤岛面6类。

3)基于防冲的孤岛工作面分类可应用于孤岛面采前冲击危险性评估，以确定孤岛工作面的可采性，然后针对高应力形成原因对孤岛面冲击地压实施分类防治。